칼슘(Calcium, Ca)의 성질과 이용

• 원자번호：20
• 족：2족(4주기)
• 원자량：40.08
• 밀도：1.55 g·cm-3
• 각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 8, 2
• mp：642℃ / bp：1,484℃

칼슘의 성질

칼슘은 지구상에 5번째 풍부한 원소로서, 온갖 산업에서 여러 용도로 대량 이용될 뿐 아니라, 모든 생명체에게 꼭 필요한 중요 성분이기도 하다. 사람의 뼈와 이빨, 조개나 소라의 껍데기, 산호의 단단한 부분 등은 탄산칼슘(CaCO3)이 주성분이다. 그래서 키자 잘 자라자면 칼슘을 많이 먹어야 한다고 야단이다.

지구상 곳곳에서 발견되는 석회석 산은 산호라든가 바다동물의 껍데기가 수억 년을 두고 해저에 퇴적하여 생긴 것이므로 주성분은 탄산칼슘이다. 순수한 칼슘은 은백색이며, 납보다는 강하지만 상당히 연한 금속이다. 2족에 속하는 원소들, 즉 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 라듐은 ‘알칼리토금속’(alkaline-earth metal)이라 부르는데, 그 이유는 이들이 토양(earth) 속에 많으면서 물과 화합하여 강한 알칼리성 물질이 되는 금속이기 때문이다. 예를 들면 마그네슘은 물과 결합하여 수산화마그네슘 [(Mg(OH)2]이 되고, 칼슘은 수산화칼슘[Ca(OH)2]이 된다.

칼슘은 산소와 접촉하면 산화칼슘(CaO)이 된다. 그래서 자연계에서는 순수한 칼슘이 발견되지 않는다. 순수한 칼슘 원소는 영국의 데이비(Humphry Davy 1778-1829)가 1808년에 전기분해 방법으로 처음 분리하는데 성공했다. 데이비는 일생 동안 전기분해 실험을 하면서 칼슘만 아니라 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 바륨, 브롬 등을 처음 분리해낸 과학자이다

칼슘의 이용도

순수한 칼슘의 용도는 별로 없으며, 필요할 때는 산화칼슘과 알루미늄을 함께 가열하여 생산한다. 칼슘을 물에 녹이면 최외각 전자 2개를 잃고 칼슘 이온(Ca2+)으로 되며, 이것은 다른 화합물과 잘 반응한다.

칼슘 이온이 다량 녹아있는 물은 센물(경수硬水)이다. 즉 센물 속의 칼슘 이온은 비누와 결합하여 물에 녹지 않는 침전물이 되므로 빨래 기능을 제대로 못하게 한다. 어떤 센물에는 중탄산염(탄산수소염 HCO3)이 녹아 있다. 이런 물을 끓이면 이산화탄소는 공기 중으로 날아가고 탄산염 이온[(CO3)-]이 칼슘과 결합하여 물에 녹지 않는 탄산칼슘(CaCO3)이 된다. 보일러의 벽이나 온수 파이프 내벽에 탄산칼슘이 두텁게 들어붙어 물때(‘관석’罐石 또는 ‘보일러 물때’)가 되면, 보일러는 고열 상태에서 파열(破裂)될 위험이 커지고, 파이프 관은 좁아져 물 흐름이 나빠진다.

칼슘 화합물의 용도는 너무나 많고 중요하다. 눈이 많이 내리면 빨리 녹이도록 염화칼슘(CaCl2)을 살포한다. 수영장의 물을 소독하거나 탈색하는 데는 Ca(OCl)2를, 비료나 동물사료 첨가제로는 Ca3(PO4)2를 사용하고, 아세틸렌가스(C2H2)의 제조 원료는 탄화칼슘(CaC2)이다.

CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + CaH2

생석회

석회석(탄산칼슘)을 550℃ 이상으로 가열하면 산화칼슘(CaO)과 이산화탄소로 분리된다. 이때 나온 산화칼슘은 백색 고체로서 일반적으로 ‘생석회’(生石灰)라 부른다. 생석회는 수분을 잘 흡수하므로 제습제로 쓴다.

CaCO3 → CaO + CO2

산화칼슘(생석회)을 고온으로 가열하면 강열한 청백색 빛을 낸다. 19세기에는 이 빛(‘석회광’)으로 무대의 배우를 조명하는데 이용했다. 오늘날 생석회는 철광을 재련할 때 가장 중요하게 쓰인다. 철광석과 생석회를 용광로에 넣고 가열하면, 생석회(산화칼슘)는 불순물과 결합하여 슬랙(slag)이 되어, 철만 남기고 용광로 아래로 흘러나온다.

소석회

생석회를 물에 넣으면 수산화칼슘[Ca(OH)2]이 되는데, 이는 물에 잘 녹지 않는 흰색 고체이며, 이것을 ‘소석회’(消石灰)라 한다. 소석회는 알칼리성 염(수용액 중에서 OH-를 방출하는 화합물)이므로, 산성 토양을 중화시킬 때 많이 사용하며, 센물을 단물로 바꿀 때도 쓰인다. 소석회(수산화칼슘)를 모래와 물과 함께 갠 것(모르타르 mortar)을 건조시키면 단단한 탄산칼슘 결정이 된다. 모르타르는 공기 중의 이산화탄소와 결합하여 매우 단단한 상태로 변한 것이다. 모르타르는 벽돌을 서로 붙일 때 사용하는데, 고대 로마 때부터 건축과 도로 공사에 이용해 왔다.​

시멘트

석회석의 대표 용도는 시멘트일 것이다. 오늘날 건축에 사용하는 시멘트의 본명(本名)은 ‘포틀랜드 시멘트’(Portland cement)이다. 포틀랜드 시멘트는 1824년에 영국의 포틀랜드 섬에서 발견된 자연산 석회석 이름에서 유래한 것이다. 포틀랜드 시멘트는 석회석에 모래, 진흙, 석고를 혼합하여 제조한다. 여기에 모래를 섞고 물을 부어 반죽해두면 바위처럼 단단하게 굳어진다.

석고(CaSO4․2H2O)

자연계에서 산출되는 흰색의 석고(石膏)는 매우 중요한 건축자재이다. 석고 가루에 물을 부어 반죽하면 얼마 후 단단하게 굳어진다. 석고로 벽과 천정을 흰색으로 바르기도 하고, 외과의사는 골절 부위를 보호하도록 석고로 부목을 만들기도 한다. 또 조각가는 석고로 형틀을 만들며, 흑판에 글씨를 쓰는 분필 역시 석고이다.